第一章机电一体化技术.ppt

机电一体化技术机电一体化技术 什么是机电一体化技术日本企业界在1970年左右最早提出“机电一体化技术”这一概念，当时他们取名为“Mechatronics”，即结合应用机械技术和电子技术于一体随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的发展，成为一门融合计算机与信息、自动控制、传感检测、伺服传动和机械等学科交叉的系统技术，目前正向光机电一体化技术（Opto-mechatronics）方向发展，应用范围愈来愈广 机电一体化技术具体包括以下内容： 1)机械技术 机械技术是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其它高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求在机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术 2) 计算机与信息技术 其中信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术 3)系统技术 系统技术即以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，接口技术是系统技术中一个重要方面，它是实现系统各部分有机连接的保证。

4)自动控制技术 其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等 5)传感检测技术 传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节其功能越强，系统的自动化程序就越高现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证 6)6) 伺服传动技术伺服传动技术 包括电动、气动、液压等各种类型的传包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，伺服系统是实现电信号到机械动作动装置，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响制质量和功能有决定性的影响 机电一体化技术的现状和发展趋势机电一体化技术的现状和发展趋势 现代科学技术的不断发展，极大地推动了现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造在机械工程领域，由的技术革命与改造。

在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品使机械工业的技术结构、产品jiejie构、功能构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由变化，使工业生产由“机械电气化机械电气化”迈入迈入了了“机电一体化机电一体化”为特征的发展阶段为特征的发展阶段 机电一体化是指在机构的主功能、机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称的系统的总称  机电一体化发展至今也已成为一门有着自身机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不但发展，体系的新型学科，随着科学技术的不但发展，还将被赋予新的内容但其基本特征可概括为：还将被赋予新的内容但其基本特征可概括为：机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。

由此而产生的功能系统，则成为一个机电术由此而产生的功能系统，则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品一体化系统或机电一体化产品  因此，因此，““机电一体化机电一体化””涵盖涵盖““技术技术””和和““产品产品””两个方面只是，机电一体化技术是基于上述两个方面只是，机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术，而不是机械群体技术有机融合的一种综合技术，而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑这是机电一体化与机械加电气所形成的机拼凑这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别机械工程技术由械电气化在概念上的根本区别机械工程技术由纯技术发展到机械电气化，仍属传统机械，其主纯技术发展到机械电气化，仍属传统机械，其主要功能依然是代替和放大的体力但是发展到机要功能依然是代替和放大的体力但是发展到机电一体化后，其中的微电子装置除可取代某些机电一体化后，其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予许多新的功能，械部件的原有功能外，还能赋予许多新的功能，如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。

即机电一体化动调节与控制自动诊断与保护等即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的延伸，具有智能化的特征是机电一体化与头脑的延伸，具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别与机械电气化在功能上的本质区别 一、机电一体化的发展状况 机电一体化的发展大体可以分为机电一体化的发展大体可以分为3 3个阶段2020世纪世纪6060年代以前为第一阶段，这一阶段称为初级阶段在这年代以前为第一阶段，这一阶段称为初级阶段在这一时期，人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果一时期，人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能特别是在第二次世界大战期来完善机械产品的性能特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，这些机间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，这些机电结合的军用技术，战后转为民用，对战后经济的恢电结合的军用技术，战后转为民用，对战后经济的恢复起了积极的作用那时研制和开发从总体上看还处复起了积极的作用那时研制和开发从总体上看还处于自发状态由于当时电子技术的发展尚未达到一定于自发状态由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。

入发展，已经开发的产品也无法大量推广 2020世纪世纪70~8070~80年代为第二阶段，可称为蓬勃发展年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶段这一时期，计算机技术、控制技术、通信阶段这一时期，计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础大规模、超大规模集成电路和微型计算机的础大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提供了充分的物迅猛发展，为机电一体化的发展提供了充分的物质基础这个时期的特点是：质基础这个时期的特点是：①①mechatronicsmechatronics一一词首先在日本被普遍接受，大约到词首先在日本被普遍接受，大约到2020世纪世纪8080年代年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；末期在世界范围内得到比较广泛的承认；②②机电机电一体化技术和产品得到了极大发展；一体化技术和产品得到了极大发展；③③各国均开各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持 2020世纪世纪9090年代后期，开始了机电一体化技术向年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，机电一体化进入深智能化方向迈进的新阶段，机电一体化进入深入发展时期。

一方面，光学、通信技术等进入入发展时期一方面，光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支；另一方面对机电一体化系统的体化等新分支；另一方面对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究同时，科体系和发展趋势都进行了深入研究同时，由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广辟了发展的广 阔前景 我国是从我国是从2020世纪世纪8080年代初才开始在这方面研究年代初才开始在这方面研究和应用国务院成立了机电一体化领导小组并和应用国务院成立了机电一体化领导小组并将该技术列为将该技术列为““863863计划计划””中在制定中在制定““九五九五””规划和规划和20102010年发展纲要时充分考虑了国际上关年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响。

许多大专院校、研究机构及一些大中的影响许多大专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作，不取得了一定成果，但与日本等先进国家作，不取得了一定成果，但与日本等先进国家相比仍有相当差距相比仍有相当差距 二、机电一体化的发展趋势二、机电一体化的发展趋势  机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步依赖机、信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步因此，机电一体化的并促进相关技术的发展和进步因此，机电一体化的主要发展方向如下：主要发展方向如下： 1.智能化  智能化是智能化是2121世纪机电一体化技术发展的一个重要世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，发展方向人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用这里所说的机器人与数控机床的智能化就是重要应用这里所说的““智能智能化化””是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。

理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标诚然，使机电一体化产品具有与人完全相同的智能，是不可能诚然，使机电一体化产品具有与人完全相同的智能，是不可能的，也是不必要的但是，高性能、高速的微处理器使机电一的，也是不必要的但是，高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能，则是完全可能而又必体化产品赋有低级智能或人的部分智能，则是完全可能而又必要的 2.模块化  模块化是一项重要而艰巨的工程由于机电一体模块化是一项重要而艰巨的工程由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事如研制集减速、智能调速、电十分复杂但又是非常重要的事如研制集减速、智能调速、电机于一体的动力单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功机于一体的动力单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元，以及各种能完成典型操作的机械装置这样，能的控制单元，以及各种能完成典型操作的机械装置。

这样，可利用标准单元迅速开发出新产品，同时也可以扩大生产规模可利用标准单元迅速开发出新产品，同时也可以扩大生产规模这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口由于这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口由于利益冲突，近期很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通利益冲突，近期很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组建一些大企业逐渐形成显然，从电气产品的标准化、系过组建一些大企业逐渐形成显然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，模块化将给机电一的企业还是对生产机电一体化产品的企业，模块化将给机电一体化企业带来美好的前程体化企业带来美好的前程 3.网络化 2020世纪世纪9090年代，计算机技术等的突出成年代，计算机技术等的突出成就是网络技术网络技术的兴起和飞速发展给科学技就是网络技术网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育义举人么日常生活术、工业生产、政治、军事、教育义举人么日常生活都带来了巨大的变革各种网络将全球经济、生产连都带来了巨大的变革。

各种网络将全球经济、生产连成一片，企业间的竞争也将全球化机电一体化新产成一片，企业间的竞争也将全球化机电一体化新产品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠，很快品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠，很快就会畅销全球由于网络的普及，基于网络的各种远就会畅销全球由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品现场总线和局域网技术是本身就是机电一体化产品现场总线和局域网技术是家用电器网络化已成大势家用电器网络化已成大势 ，利用家庭网络，利用家庭网络( (HomenetHomenet) )将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统家电系统(Computer Integrated Appliance System, (Computer Integrated Appliance System, CIAS)CIAS)，，使人们在家里分享各种高技术带来的便利与使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发快乐。

因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展 4.微型化 微型化兴起于微型化兴起于2020世纪世纪8080年代末，指的年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势国外称其为微电子机械系统（国外称其为微电子机械系统（MEMSMEMS），），泛指几何尺泛指几何尺寸不超过寸不超过1cm1cm3 3的机电一体化产品，并向微米、纳米的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展微机电一体化产品体积小、耗能少、运动级发展微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技拟的优势微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类 5.5.绿色化绿色化 工业的发达给人们生活带来了巨大变化工业的发达给人们生活带来了巨大变化一方面，物质丰富，生活舒适；另一方面，资源减一方面，物质丰富，生活舒适；另一方面，资源减少，生态环境受到严重污染。

于是，人们呼吁保护少，生态环境受到严重污染于是，人们呼吁保护环境资源，回归自然绿色产品概念在这种呼声下环境资源，回归自然绿色产品概念在这种呼声下应运而生，绿色化是时代的趋势绿色产品在其设应运而生，绿色化是时代的趋势绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中，符合特定的计、制造、使用和销毁的生命过程中，符合特定的环境保护和人类健康的要求，对生态环境无害或危环境保护和人类健康的要求，对生态环境无害或危害极少，资源利用率极高设计绿色的机电一体化害极少，资源利用率极高设计绿色的机电一体化产品，具有远大的发展前途机电一体化产品的绿产品，具有远大的发展前途机电一体化产品的绿色化主要是指，使用时不污染生态环境，报废后能色化主要是指，使用时不污染生态环境，报废后能回收利用回收利用 6.系统化 系统化的表现特征之一就是系统体系结系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构系统可以构进一步采用开放式和模式化的总线结构系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理表现之二是通信功能的大系统协调控制和综合管理。

表现之二是通信功能的大大加强，一般除大加强，一般除RS232RS232外，还有外，还有RS485RS485、、DCSDCS人格化未来的机电一体化更加注重产品与人的关系，机电一未来的机电一体化更加注重产品与人的关系，机电一体化的人格化有两层含义一层是，机电一体化产品体化的人格化有两层含义一层是，机电一体化产品的最终使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人的的最终使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要，特别是对家用机智能、情感、人性显得越来越重要，特别是对家用机器人，其高层境界就是人机一体化另一层是模仿生器人，其高层境界就是人机一体化另一层是模仿生物机理，研制各种机电一体花产品事实上，许多机物机理，研制各种机电一体花产品事实上，许多机电一体化产品都是受动物的启发研制出来的电一体化产品都是受动物的启发研制出来的  The  most  significant  word  in  this definition is ‘synergistic’(协 同 的 ). Synergy（最佳协同作用） is what can prevail  if  the  constituent  parts  of  an overall design are chosen optimally and work  together  to  bring  out  the  best  in each other. The resulting product may be given performance characteristics which far  outstrip  those  previously  attainable. The  whole,  synergistically,  is  greater, often by orders of magnitude, than the mere sum of the parts.1、What is mechatronics? Mechatronics has been defined as "The synergistic integration of mechanical engineering with electronics and intelligent computer control in the design and manufacture of products and processes' A key feature of good Mechatronics design is teamwork. To be able to generate synergy, tile modem product design team must be capable of  making  design  choices  from  the  entire range  of  presently  available  technologies. Lasers can provide highly accurate measurements for instrumentation and control; piezoelectric materials can be used to make  actuators  of  miniature  size;  memory alloys open up the possibilities of constructing 'smart'  systems  which  can  make  intelligent responses  to  operational  contingencies;  and fast  cheap  microprocessors  allow  the  easy implementation of controllers with a complexity unimaginable only a few years ago.The Mechatronics designer, while maintaining  specialism  in  one  or  more areas,  must  at  the  same  time  keep continuously in contact with the whole spectrum of today's evolving technology.The  integration of electronic engineering, electrical engineering, computer technology and control engineering with mechanical engineering is increasingly forming a crucial part in the design, manufacture and maintenance of a wide range of engineering products and processes. A consequence of this is thus the need for engineers and technicians to adopt an interdisciplinary and integrated approach to engineering.The term mechatronics is used to describe this integrated subject. A consequence of this approach is that engineers and technicans need skills and knowledge that are not confined to a single subject area. They need to be capable of operating and communicating across a range of engineering disciplines and linking with those having more specialised skills.This lecture is an attempt to provide a basic background to mechatronics and provide links through to more specialised skills. Consider the modern auto-focus, auto-exposure camera. To use the camera all you need to do is point it at the subject and press the button to take the picture. The camera automatically adjusts the focus so that the subject is in focus and automatically adjusts the aperture and shutter speed so that the correct exposure is given. Consider a truck smart suspension. Such a suspension adjusts to uneven loading to maintain a level platform, adjusts to cornering, moving across rough ground, etc. to maintain a smooth ride. Consider an automated production line. Such a line may involve a number of production processes which are all automatically carried out in the correct sequence and in the correct way. The automatic camera, the truck suspension, and the automatic production line are examples of a marriage between electronic control systems and mechanical engineering. The term mechatronics is used for this integration of electronics, control engineering and mechanical engineering. In the design now of cars, robots, machine tools, washing machines, cameras, and very many other machines, such an integrated and interdisciplinary approach to engineering design is increasingly being adopted. The integration across the traditional boundaries of mechanical engineering, electronics and control engineering has to occur at the earliest stages of the design process if cheaper, more reliable, more flexible systems are to be developed. Mechatronics brings together areas of technology involving sensors and measurement systems, drive and actuation systems, analysis of the behaviour of systems, control systems, and microprocessor systems. Application1. Mechatronics in Manufacturing2. Robotic Aspects in Mechatronics3. Sensors in Mechatronics4. Actuators in Mechatronics5.Mechatronical Systems        (Modelling/Design/Safety & Reliability)6. Advanced Approaches in Mechatronics1: Mechatronics in Manufacturing(CIM/Logistics)Modelling of a mobile gantry crane system as a basis for control Computer control and storage logistical system On designing tool wear monitoring systems using supervised and unsupervised neural networks Measurement of helical surfaces in CIM-system Profiling devices of grinding wheel for geometrically correct manufacturing of helicoid surfaces Computer aided measurement technic of experiments performed by toolswith defined geometryThe control of tension in textile filament winders Cell-controller design for a flexible PCB drilling station Adaptive control of servo-hydraulic materials-testing machines A practical solution for fabric data collection in garment length assembly line Global synthesis and detail synthesis ofFMS/FAS Grinding of tool materials of high hardness Job shop scheduling using multiple criteria Integration of intelligent multisensory elements into the CIM-class of A mechatronic solution to a packaging application using an 'open' control   integration platform Pressure feedback control of the nip load on a paper cutter Application experiences of an integration project for implementing an assembly cell with multivendor robots, laser sensor and intelligent, MAP-based networking Mechatronics in the shoe industry - the achievements and the challenge Precision microcutting by means ofsuperhard abrasive tools of elastic bond Development of ultraprecisional turingAnalysis of pushing operations in industrial automation Optimization of technological programs for robot finishing centre with CNC-control system 2. Robotic Aspects in Mechatronics(Robotics/Assembly/Control)Robotics usage for belt-grinding for parts with complicated shapes Dynamics of in-plane motion of a robot arm 。